Le Grand Nuage de Magellan est à 162 000 années-lumière de distance
Publié par Adrien le 18/03/2019 à 08:00
Source: CNRS-INSU
La distance au Grand Nuage de Magellan, galaxie satellite la plus proche de la Voie Lactée, est déterminée avec une précision inégalée et symbolique de 1 %. Fruit de travaux menés depuis plus de 20 ans, ce résultat remarquable auquel ont contribué des chercheurs du laboratoire Joseph-Louis Lagrange (Joseph Louis, comte de Lagrange (Giuseppe Lodovico Lagrangia en italien) (25 janvier 1736, Turin - 10 avril 1813, Paris) est un mathématicien et astronome italien.) (LAGRANGE, Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au...) Côte d'Azur/ Observatoire de la Côte d'Azur/CNRS) et du Laboratoire d'études spatiales et d'instrumentation (Le mot instrumentation est employé dans plusieurs domaines :) en astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et l'étude des propriétés des objets de l'univers (étoiles,...) (LESIA, CNRS/Observatoire de Paris/Sorbonne Université/Université Paris-Diderot) parait dans la revue Nature, le 14 mars 2019.


Figure d'artiste. Pour la première fois, l'équipe du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une grande diversité de contribution, et...) Araucaria a déterminé la distance du Grand Nuage (Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en suspension dans l’atmosphère. L’aspect d'un nuage dépend de la...) de Magellan avec une précision de 1%. Cette précision est comparable par exemple à celle que l'on peut atteindre en mesurant la taille d'une personne à une longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de...) de cheveu près, à la "simple" différence que dans le cas du GNM, la distance mesurée correspond à 162 000 années-lumière, soit 1,53 milliard (Un milliard (1 000 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf millions neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille neuf cent...) de milliards de kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international. Il est défini comme la distance parcourue par la lumière dans le...).

Le Grand Nuage de Magellan (GNM) sert de point (Graphie) d'ancrage pour étalonner les échelles de distance dans l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.). C'est dire l'importance de ces travaux récents qui, par échafaudage, mènent à la détermination de la constante de Hubble (Le télescope spatial Hubble (en anglais, Hubble Space Telescope ou HST) est un télescope en orbite à environ 600 kilomètres d'altitude, il effectue un tour...), une quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la...) fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.) en cosmologie (La cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'Univers en tant que système physique.) qui caractérise le taux d'expansion de l'Univers.

Les céphéides, méthode classique

Le Grand Nuage de Magellan abrite un grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de céphéides, un type d'étoiles pulsantes particulièrement brillantes. Ces étoiles supergéantes se singularisent par la relation existant entre leur période de variation lumineuse et leur luminosité (La luminosité désigne la caractéristique de ce qui émet ou réfléchit la lumière.) intrinsèque: les céphéides varient avec une période d'autant plus longue qu'elles sont plus brillantes, selon la loi de Leavitt. Cette loi a été découverte par l'astronome (Un astronome est un scientifique spécialisé dans l'étude de l'astronomie.) américaine Henrietta Leavitt en 1908 grâce à l'étude des céphéides du Grand Nuage de Magellan, où plus de 4000 céphéides sont aujourd'hui répertoriées.

Appliquée aux céphéides détectées dans les galaxies lointaines, la loi de Leavitt permet d'étalonner la luminosité intrinsèque d'un indicateur secondaire de distance permettant d'aller encore plus loin: les supernovae de Type 1a ou SN1a. Ces explosions d'étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une énorme boule de plasma comme le Soleil, qui est l'étoile la plus proche de la Terre.) des évènements rares mais extrêmement brillants, et donc détectables à de très grandes distances de plusieurs milliards d'années-lumière. A l'affût des supernovae SN1a, les astronomes cartographient l'univers, et peuvent déterminer le taux d'expansion de l'univers, quantifié par la constante de Hubble H0. Grâce à ces mesures de distance obtenues de proche en proche, on peut ainsi étudier un des problèmes les plus épineux de la cosmologie moderne: la nature de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) noire.

Il existe dans la littérature plusieurs centaines d'estimations de distance du Grand Nuage de Magellan, basées sur un grand nombre d'indicateurs de distance astrophysiques différents, dont les céphéides. Néanmoins, chaque méthode possède ses propres biais.

Une méthode infaillible

Au sein du projet international Araucaria, les chercheurs ont étudié des étoiles binaires à éclipses situées dans le Grand Nuage de Magellan. Ces objets remarquables sont constitués de deux étoiles en orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.) autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre...) de leur centre de gravité (Le centre de gravité est le point d'application de la résultante des forces de gravité ou de pesanteur. Il est également le point d'intersection de...), qui s'éclipsent mutuellement à intervalle régulier.

Les variations de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement liée...) enregistrées lors des éclipses, associées aux variations de vitesse (On distingue :) de chacune des deux étoiles, permettent de contraindre avec une grande précision leurs diamètres linéaires. Parallèlement, on utilise le fait que ces étoiles émettent de la lumière selon une relation très précise entre la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée...) ou la couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).) de l'étoile, sa magnitude apparente (En astronomie, la magnitude apparente mesure la luminosité — depuis la Terre — d'une étoile, d'une planète ou d'un autre objet céleste. Cette grandeur a la particularité d'avoir...) et son diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le...) angulaire (sa taille apparente). La combinaison (Une combinaison peut être :) de l'estimation du diamètre linéaire des deux étoiles de la binaire à éclipse (Une éclipse correspond à l'occultation d'une source de lumière par un objet physique. En astronomie, une éclipse se produit lorsqu'un objet (comme une planète ou un satellite...), avec celle de leurs diamètres angulaires, permet d'obtenir une mesure précise de sa distance.


Les vingt binaires à éclipses détectées dans le Grand Nuage de Magellan, la plus proche galaxie satellite (Satellite peut faire référence à :) de la Voie Lactée (La Voie lactée (appelée aussi « notre galaxie », ou parfois simplement « la Galaxie », avec une majuscule) est le nom de la galaxie dans laquelle se situent le Système solaire (dont la Terre,...). Grâce à une mesure précise de la distance de ces vingt binaires à éclipse, une distance au Nuage de Magellan a été obtenue avec une précision inégalée de 1.0%. Figure extraite du papier (Le papier (du latin papyrus) est une matière fabriquée à partir de fibres cellulosiques végétales et animales. Il se présente sous forme de feuilles minces et est considéré comme un matériau de...) Nature Pietrzynski et al. (2019).

L'application pratique de cette technique de mesure est cependant difficile, car les binaires à éclipses visées dans cette étude sont des objets "froids" et qui émettent relativement peu de lumière. Ainsi, l'équipe du projet Araucaria a suivi près de 35 millions d'étoiles dans le GNM pendant plus de 20 ans. Sur ces 35 millions d'objets, vingt binaires à éclipses seulement ont été soigneusement sélectionnées, puis suivies à l'aide de grands télescopes pendant plus de 15 ans. En combinant la distance estimée des vingt binaires à éclipse observées, l'équipe a mesuré une distance au GMN de 162 000 années-lumière, soit 1 530 000 000 000 000 000 km (1,53 milliard de milliards de kilomètres) avec une précision encore jamais atteinte de 1 %.

Retombées fondamentales pour l'astrophysique

Il s'agit de la première mesure de distance d'une galaxie (Une galaxie est, en cosmologie, un assemblage d'étoiles, de gaz, de poussières et de matière noire et contenant parfois un trou noir supermassif en son centre.) avec une telle précision. Elle donne ainsi la meilleure référence absolue (L'absolue est un extrait obtenu à partir d’une concrète ou d’un résinoïde par extraction à l’éthanol...) pour l'échelle des distances extragalactiques et donc pour la mesure de la constance de Hubble, actuellement objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut...) d'une controverse.

Cette mesure est aussi fondamentale pour mieux comprendre la nature de la mystérieuse énergie noire. D'autres retombées sont attendues comme une meilleure connaissance de toutes les classes d'objets célestes situés dans le GMN, ou encore l'étalonnage et la validation d'autres méthodes de mesure de distance, par exemple les mesures de parallaxes obtenues par le satellite européen Gaia de l'Agence Spatiale Européenne (L’Agence spatiale européenne (ASE) (en anglais European Space Agency : ESA) est une agence spatiale intergouvernementale fondée le 31 mai 1975. Elle est chargée de la coordination des projets spatiaux...) (ESA).

L'apport français à ce résultat est décisif et relève d'une expertise reconnue en interférométrie (L'interférométrie est une méthode de mesure qui exploite les interférences intervenant entre plusieurs ondes cohérentes entre elles.) optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) à longue base. L'obtention d'une telle précision n'aurait pas été possible sans un nouvel étalonnage de la relation entre la couleur de l'étoile, sa magnitude apparente et son diamètre angulaire. Il a été réalisé grâce à l'instrument français PIONIER placé au foyer du grand interféromètre optique européen de l'Observatoire Européen Austral (Le mot austral (du latin australis) est un adjectif qualifiant ce qui se situe dans l'hémisphère sud.) (ESO), le Very Large Telescope Interferometer (VLTI) installé au nord (Le nord est un point cardinal, opposé au sud.) du Chili. Les équipes françaises possèdent une position privilégiée au niveau international pour la conception, le développement et l'exploitation des instruments interférométriques.

Ces travaux de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances...) rapportés ont bénéficié du soutien de l'Agence Nationale de la Recherche (ANR, projet UnlockCepheids) et du Conseil Européen de la Recherche (ERC, projet CepBin).
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